1. 無鎖的概念

無鎖主要有兩個特徵：

• 是無障礙的
• 保證有一個執行緒可以勝出

與無障礙相比，無障礙並不保證有競爭時一定能完成操作，因為如果它發現每次操作都會產生衝突，那它則會不停地嘗試。如果臨界區內的執行緒互相干擾，則會導致所有的執行緒會卡死在臨界區，那麼系統性能則會有很大的影響。

而無鎖增加了一個新的條件，保證每次競爭有一個執行緒可以勝出，則解決了無障礙的問題。至少保證了所有執行緒都順利執行下去，由於在jdk原始碼中有大量的無鎖應用。

2. 無鎖類的原理

2.1 CAS

CAS演算法的過程是這樣：它包含3個引數CAS(V,E,N)。V表示要更新的變數，E表示預期值，N表示新值。僅當V值等於E值時，才會將V的值設為N，如果V值和E值不同，則說明已經有其他執行緒做了更新，則當前執行緒什麼都不做。最後，CAS返回當前V的真實值。CAS操作是抱著樂觀的態度進行的，它總是認為自己可以成功完成操作。當多個執行緒同時使用CAS操作一個變數時，只有一個會勝出，併成功更新，其餘均會失敗。失敗的執行緒不會被掛起，僅是被告知失敗，並且允許再次嘗試，當然也允許失敗的執行緒放棄操作。基於這樣的原理，CAS操作即使沒有鎖，也可以發現其他執行緒對當前執行緒的干擾，並進行恰當的處理。

我們會發現CAS的步驟很多，有沒有可能在判斷V和E相同後，正要賦值時，切換了執行緒，更改了值。造成了資料不一致呢？

事實上，這個擔心是多餘的。CAS整一個操作過程是一個原子操作，它是由一條CPU指令完成的。

2.2 CPU指令

CAS的CPU指令是cmpxchg

指令程式碼如下：

    /*
	accumulator = AL, AX, or EAX, depending on whether
	a byte, word, or doubleword comparison is being performed
	*/
	if(accumulator == Destination) {
	    ZF = 1;
	    Destination = Source;
	}else {
	    ZF = 0;
	    accumulator = Destination;
	}
 

目標值和暫存器裡的值相等的話，就設定一個跳轉標誌，並且把原始資料設到目標裡面去。如果不等的話，就不設定跳轉標誌了。Java當中提供了很多無鎖類，下面來介紹下無鎖類。

3. 無鎖類的使用

我們已經知道，無鎖比阻塞效率要高得多。我們來看看Java是如何實現這些無鎖類的。

3.1. AtomicInteger

AtomicInteger和Integer一樣，都繼承與Number類

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable

AtomicInteger裡面有很多CAS操作，典型的有：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

這裡來解釋一下unsafe.compareAndSwapInt方法，他的意思是，對於this這個類上的偏移量為valueOffset的變數值如果與期望值expect相同，那麼把這個變數的值設為update。其實偏移量為valueOffset的變數就是value。

static {
      try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

我們此前說過，CAS是有可能會失敗的，但是失敗的代價是很小的，所以一般的實現都是在一個無限迴圈體內，直到成功為止。

public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }

3.2 Unsafe

從類名就可知，Unsafe操作是非安全的操作，比如：

• 根據偏移量設定值（在剛剛介紹的AtomicInteger中已經看到了這個功能）
• park()（把這個執行緒停下來）
• 底層的CAS操作

非公開API，在不同版本的JDK中，可能有較大差異。

3.3 AtomicReference

前面已經提到了AtomicInteger，當然還有AtomicBoolean，AtomicLong等等，都大同小異。

這裡要介紹的是AtomicReference，AtomicReference是一種模板類。

public class AtomicReference<V>  implements java.io.Serializable

它可以用來封裝任意型別的資料，比如String：

package test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class Test
{ 
	public final static AtomicReference<String> atomicString = new AtomicReference<String>("hosee");
	public static void main(String[] args)
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			final int num = i;
			new Thread() {
				public void run() {
					try
					{
						Thread.sleep(Math.abs((int)Math.random()*100));
					}
					catch (Exception e)
					{
						e.printStackTrace();
					}
					if (atomicString.compareAndSet("a", "b"))
					{
						System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "Change value");
					}else {
						System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "Failed");
					}
				};
			}.start();
		}
	}
}

結果：

10Failed
13Failed
9Change value
11Failed
12Failed
15Failed
17Failed
14Failed
16Failed
18Failed

可以看到只有一個執行緒能夠修改值，並且後面的執行緒都不能再修改。 

3.4 AtomicStampedReference

我們會發現CAS操作還是有一個問題的(前面提到的"ABA")

比如之前的AtomicInteger的incrementAndGet方法

public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

假設當前value=1當某執行緒int current = get()執行後，切換到另一個執行緒，這個執行緒將1變成了2，然後又一個執行緒將2又變成了1。此時再切換到最開始的那個執行緒，由於value仍等於1，所以還是能執行CAS操作，當然加法是沒有問題的，如果有些情況，對資料的狀態敏感時，這樣的過程就不被允許了。

此時就需要AtomicStampedReference類。

其內部實現一個Pair類來封裝值和時間戳。

private static class Pair<T> {
        final T reference;
        final int stamp;
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
        static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
            return new Pair<T>(reference, stamp);
        }
    }

這個類的主要思想是加入時間戳來標識每一次改變。

//比較設定 引數依次為：期望值 寫入新值 期望時間戳 新時間戳
public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

當期望值等於當前值，並且期望時間戳等於現在的時間戳時，才寫入新值，並且更新新的時間戳。

這裡舉個用AtomicStampedReference的場景，可能不太適合，場景背景是，某公司給餘額少的使用者免費充值，但是每個使用者只能充值一次。

package test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class Test
{
	static AtomicStampedReference<Integer> money = new AtomicStampedReference<Integer>(19, 0);

	public static void main(String[] args)
	{
		for (int i = 0; i < 3; i++)
		{
			final int timestamp = money.getStamp();
			new Thread()
			{
				public void run()
				{
					while (true)
					{
						Integer m = money.getReference();
						if (m < 20)
						{
							if (money.compareAndSet(m, m + 20, timestamp,timestamp + 1))
							{
								System.out.println("充值成功，餘額:"+ money.getReference());
								break;
							}
						}
						else
						{
							break;
						}
					}
				};
			}.start();
		}

		new Thread()
		{
			public void run()
			{
				for (int i = 0; i < 100; i++)
				{
					while (true)
					{
						int timestamp = money.getStamp();
						Integer m = money.getReference();
						if (m > 10)
						{
							if (money.compareAndSet(m, m - 10, timestamp,timestamp + 1))
							{
								System.out.println("消費10元，餘額:"+ money.getReference());
								break;
							}
						}else {
							break;
						}
					}
					try
					{
						Thread.sleep(100);
					}
					catch (Exception e)
					{
						// TODO: handle exception
					}
				}
			};
		}.start();
	}

}

下面這段程式碼有3個執行緒在給使用者充值，當用戶餘額少於20時，就給使用者充值20元。有100個執行緒在消費，每次消費10元。使用者初始有9元，當使用AtomicStampedReference來實現時，只會給使用者充值一次，因為每次操作使得時間戳+1。執行結果：

充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29
消費10元，餘額:19
消費10元，餘額:9

如果使用AtomicReference<Integer>或者 AtomicInteger來實現就會造成多次充值。

充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29
消費10元，餘額:19
充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29
消費10元，餘額:19
充值成功，餘額:39
消費10元，餘額:29

3.5 AtomicIntegerArray

與AtomicInteger相比，陣列的實現不過是多了一個下標

public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
        return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
    }

它的內部只是封裝了一個普通的array

private final int[] array;

裡面有意思的是運用了二進位制數的前導零來算陣列中的偏移量，前導零的意思就是比如8位表示12,00001100，那麼前導零就是1前面的0的個數，就是4。具體偏移量如何計算，這裡不再做具體介紹。

shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);

3.6 AtomicIntegerFieldUpdater

AtomicIntegerFieldUpdater類的主要作用是讓普通變數也享受原子操作。

就比如原本有一個變數是int型，並且很多地方都應用了這個變數，但是在某個場景下，想讓int型變成AtomicInteger，但是如果直接改型別，就要改其他地方的應用。AtomicIntegerFieldUpdater就是為了解決這樣的問題產生的。

package test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;


public class Test
{
	public static class V{
		int id;
		volatile int score;
		public int getScore()
		{
			return score;
		}
		public void setScore(int score)
		{
			this.score = score;
		}
		
	}
	public final static AtomicIntegerFieldUpdater<V> vv = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(V.class, "score");
	
	public static AtomicInteger allscore = new AtomicInteger(0);
	
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException
	{
		final V stu = new V();
		Thread[] t = new Thread[10000];
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			t[i] = new Thread() {
				@Override
				public void run()
				{
					if(Math.random()>0.4)
					{
						vv.incrementAndGet(stu);
						allscore.incrementAndGet();
					}
				}
			};
			t[i].start();
		}
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			t[i].join();
		}
		System.out.println("score="+stu.getScore());
		System.out.println("allscore="+allscore);
	}
}

上述程式碼將score使用 AtomicIntegerFieldUpdater變成 AtomicInteger，從而保證了執行緒安全。

這裡使用allscore來驗證，如果score和allscore數值相同，則說明是執行緒安全的。

需要注意的是：

• Updater只能修改它可見範圍內的變數。因為Updater使用反射得到這個變數。如果變數不可見，就會出錯。比如如果某變數申明為private，就是不可行的。
• 為了確保變數被正確的讀取，它必須是volatile型別的。如果我們原有程式碼中未申明這個型別，那麼簡單得申明一下就行，這不會引起什麼問題。
• 由於CAS操作會通過物件例項中的偏移量直接進行賦值，因此，它不支援static欄位（Unsafe.objectFieldOffset()不支援靜態變數）。